自動(dòng)化艦炮行程開(kāi)關(guān)可靠性分析

周銀鶴

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015）

艦炮行程開(kāi)關(guān)的作用是為艦炮各個(gè)機(jī)構(gòu)提供行程到位的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)機(jī)構(gòu)的順序控制、定位控制和位置狀態(tài)檢測(cè)等。行程開(kāi)關(guān)是一種高精度、高可靠性的元器件，在國(guó)家重點(diǎn)型號(hào)艦炮系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用，它是實(shí)現(xiàn)艦炮自動(dòng)化運(yùn)行不可缺少的重要部分，其可靠性直接關(guān)系到艦炮的作戰(zhàn)性能。因此，對(duì)于高自動(dòng)化、智能化的艦炮來(lái)說(shuō)，研究并提高行程開(kāi)關(guān)的可靠性具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 存在的問(wèn)題

在使用行程開(kāi)關(guān)的過(guò)程中，不可避免地會(huì)出現(xiàn)一些故障。作為艦炮電氣控制系統(tǒng)中的重要組成部分，一些重要位置的行程開(kāi)關(guān)一旦出現(xiàn)問(wèn)題，會(huì)直接導(dǎo)致艦炮發(fā)生停射故障，影響艦炮的作戰(zhàn)性能。

1.1 行程開(kāi)關(guān)使用現(xiàn)狀

以某型號(hào)艦炮為例，全炮安裝有近50只行程開(kāi)關(guān)，它們的可靠性對(duì)該系統(tǒng)的正常運(yùn)行起著舉足輕重的作用。為了提高它們的可靠性，設(shè)計(jì)者做了大量的工作，盡管如此，仍頻頻發(fā)生由行程開(kāi)關(guān)引起的故障。該型號(hào)艦炮調(diào)試、試驗(yàn)和服役使用過(guò)程中的故障統(tǒng)計(jì)顯示，由行程開(kāi)關(guān)引起的非正常性故障占該艦炮電氣系統(tǒng)故障的37.7%，因此，在該型號(hào)艦炮的可靠性改進(jìn)中，將行程開(kāi)關(guān)列為可靠性急需提高的可增長(zhǎng)單元。

1.2 行程開(kāi)關(guān)常見(jiàn)故障

當(dāng)前部隊(duì)實(shí)戰(zhàn)化考核已成常態(tài)，艦炮裝備使用強(qiáng)度顯著增大，會(huì)經(jīng)常性、大強(qiáng)度、高標(biāo)準(zhǔn)使用。從現(xiàn)役某型號(hào)艦炮行程開(kāi)關(guān)的性能來(lái)看，存在可靠性短板制約艦炮作戰(zhàn)性能發(fā)揮的情況。歷次裝備調(diào)試、使用過(guò)程中行程開(kāi)關(guān)出現(xiàn)的或可能出現(xiàn)的故障主要有以下2個(gè)：①微動(dòng)開(kāi)關(guān)損壞；②開(kāi)關(guān)觸頭壓縮后不復(fù)位。從故障模式和發(fā)生頻率來(lái)看，在艦炮全自動(dòng)化發(fā)展的今天，行程開(kāi)關(guān)現(xiàn)有的可靠性已不能完全滿(mǎn)足軍事需求，還有很大的提升空間。行程開(kāi)關(guān)的狀況到底如何，下面從其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部工作環(huán)境入手進(jìn)行分析。

2 問(wèn)題分析

2.1 行程開(kāi)關(guān)本身結(jié)構(gòu)分析

2.1.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析

圖1為某型艦炮行程開(kāi)關(guān)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

圖1 行程開(kāi)關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)外力P作用壓頭后，通過(guò)壓桿壓縮復(fù)位彈簧，同時(shí)，定值壓簧壓縮簧力被釋放，并且推動(dòng)擺臂轉(zhuǎn)動(dòng)，擺臂作用于微動(dòng)開(kāi)關(guān)觸頭并直抵開(kāi)關(guān)芯體，受力情況如圖2所示。

圖2 開(kāi)關(guān)內(nèi)部受力狀態(tài)

分析圖1、圖2可知，該結(jié)構(gòu)有2個(gè)隱患：①在理想的正常情況下，擺臂在定值壓簧的推動(dòng)下壓動(dòng)微動(dòng)開(kāi)關(guān)觸頭，直至撞擊到微動(dòng)開(kāi)關(guān)芯體。此時(shí)，微動(dòng)開(kāi)關(guān)芯體要毫無(wú)意義地承受P1、P2這樣具有一定破壞性的沖擊力。②當(dāng)擺臂與壓頭之間的相對(duì)串動(dòng)因受到某種因素的影響而不太自如時(shí)，外力則會(huì)由量變到質(zhì)變，直接施壓于微動(dòng)開(kāi)關(guān)芯體上。這對(duì)芯體來(lái)說(shuō)是強(qiáng)大的，不可接受的，微動(dòng)開(kāi)關(guān)破損是難免的。從行程開(kāi)關(guān)實(shí)際使用情況統(tǒng)計(jì)來(lái)看，僅在10套產(chǎn)品的試驗(yàn)、調(diào)試中，開(kāi)關(guān)芯體損壞的就不少于5只，占開(kāi)關(guān)使用總數(shù)（46×10）的1.1%，這一點(diǎn)已明顯成為了影響行程開(kāi)關(guān)可靠性指標(biāo)的薄弱點(diǎn)。

由圖1可知，行程開(kāi)關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，外力作用到壓頭后，推動(dòng)彈簧座，使復(fù)位彈簧進(jìn)一步壓縮，定值壓簧釋放預(yù)壓力，克服擺臂與彈簧座間的摩擦力以及擺臂轉(zhuǎn)動(dòng)軸處的摩擦力，推動(dòng)微動(dòng)開(kāi)關(guān)觸頭。在此要注意以下3點(diǎn)：①力的傳遞環(huán)節(jié)比較多，所以，增加了諸多引發(fā)故障的原因。②擺臂與彈簧座接觸處的圓角修磨不好，會(huì)增大擺臂轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)與彈簧座間的軸向力，甚至發(fā)生自鎖，使擺臂轉(zhuǎn)動(dòng)困難。③這種2個(gè)彈簧相互作用的結(jié)構(gòu)不但對(duì)同軸度的加工要求比較高，而且工作中容易發(fā)生彈簧失穩(wěn)的情況，長(zhǎng)時(shí)間工作，彈簧會(huì)發(fā)生側(cè)向彎曲和永久變形。在歷次裝備的調(diào)試、試驗(yàn)中，行程開(kāi)關(guān)多次因該隱患發(fā)生故障。

2.1.2 外力傳遞機(jī)構(gòu)分析

行程開(kāi)關(guān)采用直動(dòng)式的外力傳遞機(jī)構(gòu)形式。行程開(kāi)關(guān)壓頭為球頭，它與不同形式的取信號(hào)機(jī)構(gòu)直接作用。如圖3所示，當(dāng)行程開(kāi)關(guān)承受取信號(hào)機(jī)構(gòu)為切向的外力長(zhǎng)期作用時(shí)，球頭表面會(huì)因沖擊產(chǎn)生堆疊，作用形式由點(diǎn)接觸變?yōu)槊娼佑|，作用摩擦力因此增大，觸頭和與之連接的桿承受的徑向力隨之增大，從而導(dǎo)致壓桿與開(kāi)關(guān)殼體接觸處表面產(chǎn)生夾傷和毛刺。另外，當(dāng)壓桿承受的彎曲應(yīng)力過(guò)大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致壓桿發(fā)生折彎。這2種情況都會(huì)造成壓桿運(yùn)動(dòng)不靈活，導(dǎo)致壓頭復(fù)位阻力增大，甚至不復(fù)位。

圖3 開(kāi)關(guān)外力傳遞機(jī)構(gòu)形式

該型行程開(kāi)關(guān)僅有直動(dòng)式一種結(jié)構(gòu)形式，受空間、結(jié)構(gòu)等因素的限制，某些位置不得不采用承受切向力的外力傳遞方式，并且應(yīng)用在承受切向力的位置處的開(kāi)關(guān)占全炮開(kāi)關(guān)數(shù)量的46%.以某大型試驗(yàn)為例，由該結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的行程開(kāi)關(guān)故障形式有壓桿彎曲、折斷、殼體斷裂、壓頭損壞等，超過(guò)行程開(kāi)關(guān)總故障的80%，這直接影響產(chǎn)品的可靠性。

2.2 行程開(kāi)關(guān)的外部工作環(huán)境分析

任何事物都有兩面性，設(shè)計(jì)者從主觀方面對(duì)行程開(kāi)關(guān)高低溫環(huán)境、振動(dòng)環(huán)境下的工作情況進(jìn)行了設(shè)計(jì)考慮。

下面針對(duì)常被人們忽視的行程開(kāi)關(guān)的客觀工作環(huán)境進(jìn)行分析。設(shè)計(jì)者對(duì)開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)和主觀工作環(huán)境總是有極高的要求，但對(duì)行程開(kāi)關(guān)放置問(wèn)題的處理就比較隨便，只要信號(hào)能被采集出來(lái)，也就很少再去研究其工作環(huán)境。

如圖3（a）所示，取信號(hào)機(jī)構(gòu)往往是以油缸為動(dòng)力的，因未做過(guò)多考慮，采用的是全炮統(tǒng)一的液壓站的壓力，油缸動(dòng)作迅猛，帶動(dòng)取信號(hào)機(jī)構(gòu)高速撞擊開(kāi)關(guān)壓頭，壓頭部位承受的切向力是驚人的，長(zhǎng)期以往，壓桿發(fā)生彎曲甚至折斷是顯而易見(jiàn)的。如圖3（b）所示，取信號(hào)的凸輪機(jī)構(gòu)以0.8 m/s的線速度圍繞中心圓運(yùn)動(dòng)，凸輪凸臺(tái)撞擊開(kāi)關(guān)的速度大于1 m/s。在如此高速的撞擊下，凸輪作用到開(kāi)關(guān)壓頭上的切向力和分解到軸向的力也是很大的。在這樣未做過(guò)多考慮的惡劣環(huán)境中工作，瞬間的撞擊力隨著壓桿傳遞到殼體上，導(dǎo)致殼體碎裂也是可以想象的。

3 提高行程開(kāi)關(guān)可靠性的途徑與方法

3.1 總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，深化技術(shù)理論

前面從行程開(kāi)關(guān)本身結(jié)構(gòu)和外部工作環(huán)境入手作了主觀和客觀方面的分析，那么，提高行程開(kāi)關(guān)可靠性的途徑和方法也同樣可以從2個(gè)方面著手。完成這項(xiàng)工作的總體思路是“化簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)，定量撥動(dòng)”。以科學(xué)的技術(shù)設(shè)計(jì)手段化簡(jiǎn)機(jī)構(gòu)，必然會(huì)降低開(kāi)關(guān)故障率，提高可靠性?！岸繐軇?dòng)”的概念是廣義的，通用于內(nèi)部和外部的“標(biāo)定數(shù)值位移”，以實(shí)現(xiàn)壓頭和壓桿的定量位移，避免開(kāi)關(guān)被頂壞。

表1所列標(biāo)定位移量就是理想的“定量撥動(dòng)”量。如果嚴(yán)格遵守這一“標(biāo)定量”，那么，設(shè)計(jì)時(shí)就有了明確的指標(biāo)，檢驗(yàn)有了根據(jù)，產(chǎn)品質(zhì)量可靠性將大大提高。

表1 開(kāi)關(guān)撥動(dòng)量參考數(shù)據(jù)

3.2 簡(jiǎn)化開(kāi)關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

化簡(jiǎn)行程開(kāi)關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)定量撥動(dòng)，優(yōu)化力的傳遞路徑，可以避免中間傳遞故障的發(fā)生。

圖4所示結(jié)構(gòu)采用了“化簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)，定量撥動(dòng)“的設(shè)計(jì)思路，壓桿受外力作用后定量壓縮微動(dòng)開(kāi)關(guān)觸頭，并且精簡(jiǎn)了開(kāi)關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這樣改動(dòng)后，開(kāi)關(guān)將會(huì)變得更加穩(wěn)定和可靠，其壽命將大大延長(zhǎng)，可靠性將會(huì)大大提高。

3.3 改善開(kāi)關(guān)工作環(huán)境

3.3.1 改進(jìn)行程開(kāi)關(guān)外部受力結(jié)構(gòu)

在實(shí)際工作中，先從外力傳遞環(huán)境入手開(kāi)始改進(jìn)。針對(duì)圖3所示工作環(huán)境，改進(jìn)型采用滾輪式和搖臂式開(kāi)關(guān)壓頭，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 開(kāi)關(guān)內(nèi)部簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)

圖5 滾輪式、搖臂式開(kāi)關(guān)觸頭

從圖5中可以看出，當(dāng)行程開(kāi)關(guān)壓頭受切向力撞擊時(shí)，滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)的摩擦阻力可以大大減小，從而避免了開(kāi)關(guān)受到大力沖擊被撞壞。

3.3.2 改進(jìn)采集信號(hào)機(jī)構(gòu)

由于設(shè)計(jì)者未過(guò)多考慮采集信號(hào)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速、加速度等客觀條件，導(dǎo)致信號(hào)采集時(shí)行程開(kāi)關(guān)常常受到不必要的取信號(hào)機(jī)構(gòu)的高速撞擊。因此，可以針對(duì)性地做一些工作，比如調(diào)節(jié)油缸的流量，以降低速度，設(shè)計(jì)減速傳遞機(jī)構(gòu)等，使取信號(hào)機(jī)構(gòu)撞擊行程開(kāi)關(guān)觸頭的速度小于0.5 m/s的經(jīng)驗(yàn)標(biāo)定值，從而有效提高行程開(kāi)關(guān)的可靠性。

4 結(jié)論

本文從某型艦炮行程開(kāi)關(guān)常見(jiàn)故障入手，從主客觀2個(gè)方面分析了開(kāi)關(guān)存在的問(wèn)題，并從內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部工作環(huán)境2個(gè)方面提出了提高行程開(kāi)關(guān)可靠性的途徑和方法。設(shè)計(jì)者可根據(jù)該思路設(shè)計(jì)需要提高運(yùn)行可靠性的其他開(kāi)關(guān)型產(chǎn)品。